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用于数字质量流量控制器的系统和方法

基本信息

  • 申请号 CN00810184.1 
  • 公开号 CN1371491A 
  • 申请日 2000/06/20 
  • 公开日 2002/09/25 
  • 申请人 米里坡公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 埃曼纽尔·瓦尔斯  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 美国马萨诸塞 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 李德山 
  • 有效性 授权 
  • 法律状态 失效
  •  

摘要

一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的方法。
所述方法计算更精确地表示通过所述数字质量流量控制器的实际流量的数字增强的流量信号。
使用从流量检测器输出的检测的流量信号、经过比例处理的检测的流量信号的一阶导数、以及经过比例处理的检测的流量信号的滤波的二阶导数计算数字增强的流量信号。
设置点信号和数字增强的流量信号比较,从而产生数字误差信号。
所述数字误差信号被提供给数字实现的PI(比例积分)控制器。
PI控制器产生用于控制数字质量流量控制器中的阀门的数字控制信号。
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权利要求书


1.一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的方法,所述数字 质量流量控制器具有用于控制在所述数字质量流量控制器内的气体的流 量的阀门和用于测量通过所述数字质量流量控制器的实际气体流量并输 出检测的流量信号的流量检测器,所述方法包括: 根据所述检测的流量信号的加权的一阶导数、所述检测的流量信号的 滤波加权的二阶导数和所述检测的流量信号产生代表所述数字质量流量 控制器中的最终的稳态流量的数字增强的流量信号; 比较设置点信号和所述数字增强的流量信号,从而产生数字反馈误差 信号;以及 通过输入所述数字反馈误差信号到比例积分(PI)控制器,产生用于 控制在所述数字质量流量控制器中的所述阀门的数字控制信号,并从所 述PI控制器输出所述数字控制信号。

2.如权利要求1所述的方法,还包括在产生所述数字增强的流量信号 之前使用AD转换器把所述检测的流量信号转换成数字检测流量信号的 步骤。

3.如权利要求2所述的方法,还包括在产生所述数字增强的流量信号 之前使用最小二乘法把所述数字检测流量信号转换成数字线性化的检测 的流量信号的步骤。

4.如权利要求3所述的方法,还包括利用第一加权加权一阶导数从而 产生所述加权的一阶导数的步骤,所述第一加权根据在所述数字质量流 量控制器中的气体种类和给定的机械平台被唯一地计算。

5.如权利要求4所述的方法,还包括利用第二加权加权二阶导数从而 产生所述加权的二阶导数的步骤,所述第二加权被计算,以便当所述数 字线性化的检测的流量信号不接近真正的指数上升时进行校正。

6.如权利要求5所述的方法,还包括执行数字低通滤波器运算的步 骤,从而滤波所述的加权的二阶导数,产生所述滤波加权的二阶导数, 并且补偿由于所述加权的二阶导数附加于所述数字增强的信号上的噪 声。

7.如权利要求6所述的方法,其中所述数字低通滤波器运算还包括时 间常数,所述时间常数由经验确定。

8.如权利要求7所述的方法,还包括在比较所述设置点信号和所述数 字增强的流量信号之前把所述设置点信号转换成数字设置点信号的步 骤。

9.如权利要求8所述的方法,其中产生所述数字增强的流量信号、比 较所述设置点信号和所述数字增强的信号以及产生所述数字控制信号的 步骤由一个数字信号处理器控制器执行。

10.如权利要求9所述的方法,其中所述数字信号处理器控制器能够 和一个计算机进行通信,所述计算机可以执行包括所述第一加权、所述 第二加权和所述时间常数的计算。

11.如权利要求10所述的方法,还包括通过在所述计算机和所述数字 信号处理器控制器之间的连接把由所述计算机进行的计算下载到所述数 字信号处理器控制器中的存储装置,从而帮助所述数字信号处理器控制 器计算所述数字控制信号的步骤。

12.如权利要求11所述的方法,其中所述存储装置是EEPROM。

13.如权利要求1所述的方法,其中所述加权的一阶导数、所述滤波 加权的二阶导数、所述数字增强的流量信号和所述数字控制信号使用差 分方程被计算。

14.一种用于产生数字增强的流量信号的方法,所述数字增强的流量 信号表示由在数字质量流量控制器中的流量检测器提供的检测的流量信 号的最终稳态流量,所述方法包括: 计算所述检测的流量信号的一阶导数; 计算所述检测的流量信号的二阶导数; 利用第一加权加权所述一阶导数,从而产生加权的一阶导数信号; 利用第二加权加权所述二阶导数,从而产生加权的二阶导数; 对所述加权的二阶导数执行数字低通滤波器运算,从而产生滤波加权 的二阶导数;以及 使所述检测的流量信号和所述加权的一阶导数信号和所述滤波加权的 二阶导数信号相加,从而产生所述数字增强的流量信号。

15.如权利要求14所述的方法,还包括在计算所述一阶导数和计算所 述二阶导数之前转换所述检测的流量信号成为数字检测流量信号的步 骤。

16.如权利要求15所述的方法,还包括在计算所述一阶导数和计算所 述二阶导数之前使用最小二乘法把所述数字检测流量信号转换成数字线 性化的检测的流量信号的步骤。

17.如权利要求16所述的方法,其中用于所述加权的一阶导数的所述 第一加权根据在所述数字质量流量控制器中的气体种类和给定的机械平 台被计算。

18.如权利要求17所述的方法,其中用于所述加权的二阶导数的第二 加权被计算,从而当所述数字线性化的检测的流量信号不接近真正的指 数上升时进行校正。

19.如权利要求18所述的方法,其中所述数字低通滤波器运算还包括 由经验确定的时间常数。

20.如权利要求19所述的方法,其中计算所述一阶导数、计算所述二 阶导数、加权所述一阶导数、加权所述二阶导数、执行所述数字低通滤 波器运算和使所述检测的流量信号和所述加权的一阶导数以及所述加权 的二阶导数相加的步骤由数字信号处理器控制器执行。

21.如权利要求20所述的方法,其中所述数字信号处理器控制器能够 通过在所述数字信号处理器控制器和一个计算机之间的连接和所述计算 机进行通信,所述计算机可以执行包括所述第一加权、所述第二加权和 所述时间常数的计算。

22.如权利要求21所述的方法,还包括把由所述计算机进行的计算下 载到所述数字信号处理器控制器中的存储装置,从而帮助所述数字信号 处理器控制器计算所述数字增强流量信号的步骤。

23.如权利要求22所述的方法,其中所述存储装置是EEPROM。

24.如权利要求13所述的方法,其中所述加权的一阶导数、所述滤波 加权的二阶导数、所述数字增强的流量信号使用差分方程被计算。

25.一种用于控制在一种处理中的气体流量的数字质量流量控制器, 所述数字质量流量控制器包括: 流量检测器,用于测量通过所述数字质量流量控制器的实际的气体流 量,并输出检测的流量信号; 数字微控制器,其使用所述检测的流量信号、所述检测的流量信号的 一阶导数、所述检测的流量信号的滤波的二阶导数和设置点信号产生数 字控制信号;以及 在所述数字质量流量控制器中的被所述数字控制信号控制的阀门。

26.如权利要求25所述的系统,其中所述微控制器可以执行: 计算所述检测的流量信号的一阶导数; 计算所述检测的流量信号的二阶导数; 利用第一加权加权所述一阶导数,从而产生加权的一阶导数; 利用第二加权加权所述二阶导数,从而产生加权的二阶导数; 对所述加权的二阶导数执行数字低通滤波器运算,从而产生滤波加权 的二阶导数;以及 使所述检测的流量信号和所述加权的一阶导数信号以及所述加权的二 阶导数信号相加,从而产生数字增强的流量信号。

27.如权利要求26所述的系统,其中所述检测的流量信号在执行下列 操作之前被转换为数字检测流量信号: 计算所述一阶导数; 计算所述二阶导数; 使所述数字检测流量信号和所述加权的一阶导数信号以及所述加权的 二阶导数信号相加。

28.如权利要求27所述的系统,其中所述检测的数字流量信号在执行 下列操作之前使用最小二乘法被转换为数字线性化的检测的流量信号: 计算所述一阶导数; 计算所述二阶导数; 使所述数字检测流量信号和所述加权的一阶导数信号以及所述加权的 二阶导数信号相加。

29.如权利要求28所述的系统,其中所述第一加权根据在所述数字质 量流量控制器中的气体种类和给定的机械平台进行计算。

30.如权利要求29所述的系统,其中所述第二加权被计算,以便当所 述数字线性化的检测的流量信号不接近真正的指数上升时进行校正。

31.如权利要求30所述的系统,其中所述数字低通滤波器运算还包括 由经验确定的时间常数。

32.如权利要求31所述的系统,其中所述数字微控制器还可以执行: 比较所述设置点信号和所述数字增强的流量信号,从而产生数字误差 信号;以及 对所述数字误差信号执行数字PI(比例积分)操作,从而产生数字控 制信号。

33.如权利要求25所述的系统,其中所述设置点信号是数字信号。

34.如权利要求32所述的系统,其中所述设置点信号在使所述设置点 信号和所述数字增强的流量信号比较之前被转换成数字设置点信号。

35.如权利要求34所述的系统,其中所述数字微控制器是数字信号处 理器微控制器。

36.如权利要求35所述的系统,其中所述数字信号处理器微控制器能 够通过在所述数字信号处理器控制器和一个计算机之间的连接和所述计 算机进行通信,所述计算机可以执行包括所述第一加权、所述第二加权 和所述时间常数的计算。

37.如权利要求36所述的系统,其中所述计算机还能够把其进行的所 述计算下载到所述数字信号处理器微控制器中的存储装置,从而帮助所 述数字信号处理器控制器计算所述数字控制信号。

38.如权利要求37所述的系统,其中所述存储装置是EEPROM。

39.如权利要求26所述的系统,其中所述加权的一阶导数、所述加权 的二阶导数、所述滤波加权的二阶导数、和所述数字控制信号使用差分 方程被计算。

40.一种用于由在质量流量控制器中的流量检测器提供的检测的流量 信号产生数字增强的流量信号的系统,所述系统具有被存储在数字信号 处理器控制器上的计算机程序,所述数字信号处理器控制器可以执行: 计算所述检测的流量信号的一阶导数; 计算所述检测的流量信号的二阶导数; 利用第一加权加权所述一阶导数,从而产生加权的一阶导数信号; 利用第二加权加权所述二阶导数,从而产生加权的二阶导数; 对所述加权的二阶导数执行数字低通滤波器运算,从而产生滤波加权 的二阶导数;以及 使所述检测的流量信号和所述加权的一阶导数信号和所述滤波加权的 二阶导数信号相加,从而产生所述数字增强的流量信号。

41.如权利要求40所述的系统,其中所述检测的流量信号在执行下列 操作之前被转换为数字检测流量信号:计算所述一阶导数;计算所述二 阶导数;使所述检测的流量信号和所述加权的一阶导数信号以及所述滤 波加权的二阶导数信号相加。

42.如权利要求41所述的系统,其中所述检测的数字流量信号在执行 下列操作之前使用最小二乘法被转换为数字线性化的检测的流量信号: 计算所述一阶导数;计算所述二阶导数;以及使所述检测流量信号和所 述加权的一阶导数信号以及所述滤波加权的二阶导数信号相加。

43.如权利要求42所述的系统,其中所述用于所述加权的一阶导数的 第一加权根据在所述数字质量流量控制器中的气体种类和给定的机械平 台进行计算。

44.如权利要求43所述的系统,其中用于所述加权的二阶导数的第二 加权被计算,以便当所述数字线性化的检测的流量信号不接近真正的指 数上升时进行校正。

45.如权利要求44所述的系统,其中所述数字低通滤波器运算还包括 时间常数,所述时间常数由经验确定。

46.如权利要求45所述的系统,其中所述数字信号处理器控制器能够 通过在所述数字信号处理器控制器和一个计算机之间的连接和所述计算 机进行通信,所述计算机可以执行包括所述第一加权、所述第二加权和 所述时间常数的计算。

47.如权利要求46所述的系统,其中所述计算机还能够把其进行的所 述计算下载到所述数字信号处理器控制器中的存储装置,从而帮助所述 数字信号处理器控制器计算所述数字增强流量信号。

48.如权利要求47所述的系统,其中所述存储装置是EEPROM。

49.如权利要求40所述的系统,其中所述加权的一阶导数、所述加权 的二阶导数、所述滤波加权的二阶导数使用差分方程被计算。
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说明书

技术领域 本发明一般涉及用于控制质量流量控制器中的气体流量的方法和系 统,尤其涉及具有快速响应从而在数字质量流量控制器中设置点步输 入的用于产生数字信号的方法和系统。
背景技术 质量流量控制器(MFC)是一种用于设置、测量和控制一种生产气 体的质量流量的闭环装置。
半导体应用已经并继续成为质量流量控制 器技术发展的动力。
此外,质量流量控制在其它工业例如制药工业和 食品工业中也是有用的。
热质量流量控制器由包括流量检测器的前半部分和包括控制阀的后 半部分构成。
流量检测器通常由围绕一个毛细管缠绕的两个电阻温度 检测器构成。
当气体通过所述检测器流动时,热量被带到下游,并且 温差和气体的质量流量成正比。
控制阀通过电子电路接收来自流量检 测器的信号,从而调节气体流量。
通常使用电磁启动阀作为控制阀, 因为其具有简单,响应快,鲁棒性和成本低的优点。
遗憾的是,热流量检测器具有慢的响应时间,这是因为热变化要在 相当长的时间内才能发生。
例如,在图1中示出了实际流量对时间的 曲线和测量流量对时间的曲线。
y轴表示流量,而x轴表示时间。
实 际流量被表示为一个近似的阶跃函数u(t),其中流量达到稳态值所用 的时间τ可以忽略。
τ表示时间常数,其取检测的流量达到实际流量的63 %时所用的时间。
这个时间有1.7秒之多。
达到实际流量的至少99% 所需的时间大约为5τ。
遗憾的是,由检测的流量建立实际流量的精确 的测量所需的时间延迟可能在阀控制中引入误差。
关于通过控制阀的 流量的信息被反馈回控制阀。
这个信息的精确反馈中的延迟可能引起 进入处理室的气体流量的不希望的误差。
图2表示在现有技术中使用的用于补偿检测流量对实际流量的时间 延迟的方法。
实际流量是幅值为f0的单位阶跃函数。
图2表示一阶微 分反馈控制环10,其中流量检测信号12被输入到具有增益=1的一阶 增益级14和微分器级16。
微分器级16的输出被输入到增益=τ的二 阶增益级18。
增益级14和增益级18的输出相加而产生一阶微分反馈 控制环的输出20。
这种方法近似由下式给出的指数信号的流量信号12:         f(t)=f0(1-et/τ),                    (1) 其中f0是最后的稳态流量,t是时间,τ是和流量检测器相关的时间 常数。
输出20由下式给出: output = f ( t ) + τ df ( t ) dt - - - ( 2 ) ]]>在式2中插入式1,得:         output=f0u(t)                         (3) 一阶微分反馈控制系统10的输出是等于实际流量f0u(t)的幅值f0的阶跃响应。
因此,使用一阶微分反馈控制系统10比仅仅使用检测的 流量信号12可以更精确地近似实际流量。
图2所述的现有技术的方法具有3个缺点。
第一个缺点是流量检测 器一般不是线性的。
因此,在输入到控制系统的流量检测器信号中具 有一定数量的固有误差。
第二个缺点是微分器一般是一种模拟器件。
在模拟域中微分器件的 硬件实现是困难的,因此,这些方法经常使用由线性电路实现的近似 微分。
最后一阶微分反馈控制系统不能识别通过流量控制器的气体的流量 确实不是一个真正的一阶指数。
因此,这类系统具有某个固有误差。
因此,需要一种用于精确的计算质量流量控制器中的实际气体流量 的方法。
所述方法应当减少或者消除流量检测器的非线性问题。
这种 方法还应当更精确地近似不是真正的指数信号的流量检测信号。
发明内容 本发明提供一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的系统 和方法,其基本上消除或减少了和以前研制的用于控制数字质量流量 控制器中的气体流量的系统和方法相关的问题。
本发明提供一种用于计算数字增强的流量信号的方法,所述流量信 号更精确地表示通过数字质量流量控制器的实际流量。
使用从流量检 测器输出的检测的流量信号、检测的流量信号的经过比例处理的一阶 导数以及检测的流量信号的经过比例处理的二阶导数计算数字增强的 流量信号。
使一个设置点信号和所述数字增强的流量信号比较,从而 产生数字误差信号。
把所述数字误差信号提供给数字实现的PI(比例 积分)控制器。
所述PI控制器产生数字控制信号,用于控制在数字质 量流量控制器中的阀门。
本发明的一个优点在于,使用二阶导数比只使用一阶导数能够更精 确地逼近检测器信号。
检测器流量信号的更精确的近似使得在生产过 程中能够实现更精确的、响应更快的气体流量控制。
本发明的另一个优点在于,使用数字信号使得能够容易地和数字处 理器例如计算机连接。
例如在校准期间,可以访问高速数字处理器, 以便帮助进行精确计算,这对于流量控制器中的任何单板DSP控制器 都是过于冗长的。
附图说明 通过参照附图阅读下面的说明可以更加完整地理解本发明及其优 点,在附图中相同的标号代表相同的特征,其中: 图1表示在流量检测器中流量检测器的输出随时间的变化以及和实 际流量的对照曲线; 图2是现有技术采用模拟一阶微分和反馈以便较好地由检测流量近 似实际流量的方法的基本控制图; 图3是本发明的一个实施例,用于说明作为数字质量流量控制器的 系统; 图4说明一阶增益级对数字增强流量信号的连续表示的影响; 图5说明二阶增益级对数字增强流量信号的连续表示的影响;以及 图6说明滤波器时间常数对数字增强流量信号的连续表示的影响。
具体实施方式 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例,图中相同的标号代表 相同的或相应的部件。
本发明提供一种用于控制数字质量流量控制器中的气体流量的方 法。
所述方法计算更精确地代表通过所述数字质量流量控制器的实际 流量的数字增强的流量信号。
所述数字增强的流量信号使用从流量检 测器输出的检测的流量信号、检测的流量信号的经过比例处理的一阶 导数以及检测的流量信号的经过比例处理的二阶导数被计算。
使一个 设置点信号和所述数字增强的流量信号比较,从而产生数字误差信号。
把所述数字误差信号提供给数字实现的PI(比例积分)控制器。
所述 PI控制器产生数字控制信号,所述控制信号用于控制在数字质量流量 控制器中的阀门。
图3表示本发明的一个实施例。
在图3中,在质量流量控制器22 中的实际流量24由检测器26测量。
检测器26可以包括围绕毛细管32 绕制的电阻性的线绕线圈28和30。
检测器26的输出是检测的流量信 号34,该信号可以被输入到AD转换器36中。
AD转换器36的输出 是数字检测流量信号38。
数字检测流量信号38被输入到微控制器44 中。
微控制器44被编程用于实现由线性化模块40、微分模块46和PI 控制器54表示的处理的计算要求。
微控制器44,即数字信号处理器 (DSP)控制器,其具有在其芯片上的可被多次重复编程的快速程序 存储器阵列中编程的软件。
所述软件包括用于在微控制器44内实现所 述功能所需的所有指令。
常数系数(滤波器系数、线性化系数以及各 种增益系数)在计算机55中被算出,并被下载供微控制器44使用。
线性化模块40可以执行最小二乘法,用于使数字流量信号38线性化。
数字检测流量信号38需要被线性化,这是因为检测器26一般产生作 为实际流量24的非线性函数的检测的流量信号34。
线性化模块40输 出线性化的数字检测流量信号42。
有许多方法可用于进行检测的数字 流量信号的线性化。
这些方法包括最小二乘法和本领域技术人员熟知 的其它回归技术。
在这些方法中还包括在T.I.Pattantyus等人在1999 年7月9日申请的序列号为09/350747,名称为“System and Method for Sensor Response Linearization”的美国专利中披露的方法。
数字线性 化的检测的流量信号42可被输入到微分模块46中。
微分模块46产生 数字增强的流量信号48。
数字增强的流量信号48更精确地表示实际 流量24,因而补偿检测器26的不精确性。
在下面的详细说明中将详 细说明微分模块46。
数字增强的流量信号48和设置点信号50比较。
由用户提供的设置 点信号50可以是为得到的实际流量24所需的阶跃输入。
设置点信号 50可以是由微控制器44中嵌入的AD转换器数字化的模拟信号,或 者是被传递给微控制器44的数字信号。
微控制器44中嵌入的AD转 换器使得本发明的微控制器44可以用于现有技术的系统中作为替代 物。
设置点50和数字增强的流量信号48之间的差是误差信号52。
误 差信号52可以被输入到PI控制器54,用于产生驱动电磁启动阀58 的数字控制信号56。
电磁启动阀58控制质量流量控制器22中的实际 流量24。
PI控制器54可以使用E.Vyers在1999年7月9日申请的 序列号为09/351098名称为“System and Method for a Variable Gain Proportional-Integral(PI)Controller”的美国专利中披露的方法来实 现。
图3中的微分模块46代表由微控制器44使用从计算机55计算并 下载的参数进行的处理,用于产生数字增强的流量信号48。
在微分模 块46内的方块图是一种连续的时间表示,利用拉普拉斯变换表示一阶 微分运算60,二阶微分运算68,和具有时间常数τ2的滤波运算72。
然而,该系统是数字实现的。
线性化的数字检测信号42被输入到一阶 微分运算60和一阶增益级62以输出线性化的数字检测信号42的加权 的一阶导数64。
然后,该线性化的数字检测信号42的一阶导数被输 入到二阶微分运算66和增益级68以产生线性化的数字检测信号42的 加权的二阶导数70。
该加权的二阶导数70被输入到低通滤波运算72 以产生线性化的数字检测信号42的滤波的加权的二阶导数74。
加权 的一阶导数64被馈送到加法器78而线性化的数字检测信号42通过前 向环76被馈送到加法器78。
在加法器78,线性化的数字检测信号42 的滤波的加权的二阶导数74与线性化的数字检测信号42的加权的一 阶导数64以及线性化的数字检测信号42相加以产生数字增强的流量 信号48。
数字增强的流量信号48比从检测器26所得到的检测的流量 信号34更近似的表示实际流量信号48。
如前所述,由微控制器44,DSP所执行的运算是数字实现的。
可 以容易地进行模拟拉普拉斯表示与其离散时间的对应项之间的变换。
线性常系数微分表达式可以被容易地变换成离散时间的线性常系数差 分方程。
常系数的差分方程 的离 散的等式是 Σ k = 1 N a k y [ n - k ] = Σ k = 1 M b k f [ n - k ] , - - - ( 5 ) ]]>其中ak和bk是常数系数,f(t)是模拟系统的模拟输入,y(t)是模拟 系统的模拟输出, 是y(t)和f(t)的第k次导数,f[n] 是等效的离散系统的离散输入,y[n]是等效的离散系统中的离散输出, f[n-k]和y[n-k]是f[n]和y[n]的第k个延迟值,t是时间,n和k是表 示以规定的采样间隔进行的离散函数的离散采样的整数值。
连续的低通滤波器运算也可以使用差分方程以离散的方式来实现。
拉普拉斯低通滤波器运算72的模拟时域表示是差分方程: f ( t ) = dy ( t ) dt + 1 τ f y ( t ) = Σ k = 0 1 a k b k dy k ( t ) dt k , - - - ( 6 ) ]]>其中ak和bk是常数系数,f(t)是滤波器的模拟输入,y(t)是滤波器 的模拟输出, 是y(t)第k次导数,τf是和滤波器运算相关的 时间常数。
方程6可以使用按照方程5的差分方程离散地实现。
不过, 为了简明,系统用不同的拉普拉斯变换表示,用于说明线性化的数字 检测器信号42的微分和滤波。
设计一阶增益级(增益1)62是为了消除和检测器26有关的时间 常数τ1
一阶增益级62被调整,从而校正经过较长的时间才稳定的检 测器26的检测器响应。
图4说明改变一阶增益级62对数字增强的流 量信号48的连续表示的影响。
如果增益级62太小,则在数字增强的 流量信号48的连续表示达到稳态值之前有一个初始过调。
如果增益级 62太大,则在数字增强的流量信号48的连续表示达到稳态值之前有 一个初始欠调。
由于系统的可变性,一阶增益级62为生产气体的种类 和给定的机械平台被唯一地计算。
一阶增益级62被唯一地确定,并且 是检测器结果以及生产气体的函数。
计算的流体动态(CFD)模型, 经验的测试和机械的解决方案被研制了,主要致力于减小检测器的时 间常数τ1
分析了温升,线圈长度,线圈之间的间隙,管的内径,管 的壁厚,管的导热率和绝缘材料的关系,将要进一步讨论。
实际上, 由本发明的一个实施例使用的一个检测器呈现的时间常数τ1是1.7秒。
气体类型的影响表明,检测器时间常数τ1和气体重量成比例地增加(一 般最多5%)。
时间常数τ1被设置为缺省值(1.7)。
并通过观察实际 响应进行细调。
因为检测的流量信号34不是一个真正的指数信号,一阶加权的导 数64不能完全校正检测的流量信号34,使其精确地近似实际流量24。
为了更精确地近似实际流量24,在检测的流量信号34的近似中引入 第二时间常数τ2
因此,检测的流量信号34可以近似为 f ( t ) = ( 1 - e - t / τ 1 ) ( 1 - e - t / τ 2 ) - - - ( 7 ) ]]>其中t是时间,f(t)是检测的流量信号34,τ1是第一时间常数,τ2是第二时间常数。
假定稳态阶跃输入是f0,并按照图3,数字增强的流 量信号48可以在模拟域中表示为 f ( t ) + ( Gain 1 ) df ( t ) dt + ( Gain 2 ) d 2 f ( t ) dt 2 ]]>具有Gain1=τ12,Gain2=τ12
可以引起τ1和τ2的时间延迟是 在检测器26和电磁启动阀58所在位置之间的气动滞后,当涉及滞后、 摩擦和用于与保持电磁启动阀关闭的管道压力有关的预加载力时,在 某种程度上,和电磁启动阀58有关。
因此,利用相应的第二增益级68进行二阶导数运算66(增益2)。
二阶导数运算66校正检测的流量信号34的前端,其不精确地近似真 实的指数上升。
和第一增益级62一样,第二增益级66借助于编程可 被调整。
图5说明改变第二增益级68对数字增强的流量信号48的连 续表示的影响。
如果第二增益级68小,则在数字增强的流量信号48 的连续表示达到稳定值之前可能有一初始过调,而如果第二增益级68 大,则在数字增强的流量信号48的连续表示达到稳定值之前可能有一 初始欠调。
因而,第二增益级68可被合适地校正,以便使过调或欠调 最小或消除。
第二增益级68还借助于上述的观察进行调整。
当执行第二微分运算66时,执行拉普拉斯滤波器运算72是为了减 少数字增强的流量信号48中产生的噪声。
拉普拉斯滤波器运算72具 有相关的时间常数τf
通过调整时间常数τf,低通滤波器运算72的响 应可以被过校正或欠校正。
图6说明改变时间常数τf对数字增强的流 量信号48的连续表示的影响。
对于大的滤波器时间常数τf,滤波器响 应可能太慢,而对于小的滤波器时间常数τf,滤波器响应可能太快。
因 而,选择滤波器时间常数τf,从而调节信号48的速度。
图3的系统也可以使用计算机55进行精确的计算,这些计算比在 校正和测试期间在微控制器44中进行的计算需要更快的速度和更大的 功率。
计算结果可以通过电通信连接57例如总线或电缆从计算机55 下载到微控制器44中。
大体说来,图3的系统可以通过实现一个具有~1.7秒的第一时间常 数的调节电路的热流量检测器来容易地实现。
可以参考T.I.Pattantyus 等人在1999年7月9日申请的序列号为09/350746的名称为“Improved Mass Flow Sensor Interface Circuit”的美国专利申请中披露的流量检 测器电路。
也可以包括采样速率为610Hz的16位精度的AD转换器, 16位的数字信号处理器微控制器,PC,以及用于控制电磁启动的、小 功率的、节流球阀/座阀的脉宽调制的或者连续的阀门驱动电路。
对于 阀门驱动电路,可以具有许多电路配置。
可以参考T.I.Pattantyus在 1999年7月9日申请的序列号为09/351111的名称为“Method and System for Driving a Solenoid”的美国专利申请中披露的电路。
质量流量控制器可以执行闭环控制算法。
可以参考K.Tinsley在1999 年7月9日申请的序列号为09/350744的名称为“System and Method of Operation of a Digital Mass Flow Controller”的美国专利申请中披露 的先进的数字控制算法。
本发明的主要的技术优点在于其是在离散的时域中实现的。
利用计 算机55或通过计算机55的帮助可以实现精确的数学运算。
虽然一些 现有技术的方法也实现了离散的控制器,但是这些方法一般不处理具 有产生包括一阶和二阶导数的数学的能力的数字平台。
因而,这些方 法局限于一阶导数的数字实现。
不过,通过使用能力强大的计算机55, 本发明能够实现精确的数学计算。
许多参数计算,例如第一增益级62, 第二增益级68和时间常数τf可以在计算机55上求出,然后被下载到 可擦存储器阵列例如微控制器44的EEPROM中。
然后,微控制器44 在计算数字增强的流量信号48时可以从EEFROM中访问这些值。
本发明的另一个重要的技术优点是,通过实现第二微分运算66,数 字增强的流量信号48可以非常近似实际流量24。
因为检测的流量信 号34不是一个纯指数信号,所以只通过执行第一微分运算60不能充 分地近似实际流量24。
加权的一阶导数64和加权的二阶导数70加速 检测的流量信号34的响应,从而更精确地近似实际流量24。
随后对 加权的二阶导数70进行的滤波减少和执行第二微分运算66有关的噪 声。
本发明的另一个技术优点在于,通过使用在微控制器44中嵌入的 AD转换器,微控制器44可以容易地代替现有技术中用于控制在制造 过程中的气体的系统。
这些可以使用模拟方法和连续的设置点电压输 入信号控制流量的系统仍然可以使用微控制器。
模拟信号,例如检测 的流量信号34和设置点信号50被数字化,然后用于在微控制器44中 进行的计算。
虽然此处参照说明性的实施例对本发明进行了详细说明,但是应当 理解,这些说明只是举例而已,并没有限制的意义。
因此,还应当理 解,显然,本领域技术人员参照上述的说明,可以对本发明的实施例 的细节作出许多改变,并且可以作出本发明的许多附加的实施例。
这 些改变和附加的实施例都包括在所附权利要求限定的本发明的构思和 真正的范围内。
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